Моделирование диффузии меченых атомов, объёмного упорядочения и поверхностного переупорядочения в ГЦК-структурах кинетическим среднеполевым методом

В. Н. Безпальчук$^{1}$, Р. Козубски$^{2}$, А. М. Гусак$^{1}$

$^1$Черкасский национальный университет имени Богдана Хмельницкого, бульв. Шевченка, 81, 18031 Черкассы, Украина
$^2$M. Smoluchowski Institute of Physics, Jagiellonian University in Krakow, Lojasiewicza 11, PL-30-348 Krakow, Poland

Получена: 02.07.2017. Скачать: PDF

В работе рассматривается диффузия меченых атомов и процесс «химического» (атомного) упорядочения в двух бинарных системах с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой Ni$_{3}$Al и FePt с использованием среднеполевого кинетического метода (KMF), предложенного Ж. Мартаном в 1990 г. Для указанных систем использовались фиксированные значения парных энергий взаимодействия и энергий седловой точки, подобранные ранее путём сравнения моделирования методом Монте-Карло и экспериментальных данных. В моделировании диффузии меченых атомов, а также упорядочения их основной акцент направлен на сравнение энергий активации, а не предэкспонентных множителей кинетических коэффициентов. В общем случае модели среднего поля не могут правильно учитывать корреляционный эффект, который может быть существенным для диффузии меченых атомов, особенно для структур типа $В$2. Однако, по крайней мере, для ГЦК-структур, применение KMF к диффузии и упорядочению демонстрирует достаточно реалистичные результаты, качественно схожие с теми, которые получаются из кинетического метода Монте-Карло и в реальных экспериментах. Моделирование диффузии меченых атомов Ni и Al в системе Ni$_{3}$Al демонстрирует более быструю диффузию атомов Ni, чем Al, что связано с более лёгкой диффузией атомов Ni по собственной подрешётке в сверхструктуре типа $L1_{2}$-Ni$_{3}$Al. Также получены более высокая энергия активации для меченых атомов Al и её близкое значение к энергии активации кинетики упорядочения. Компьютерные эксперименты по кинетике упорядочения показали, что, в отличие от обменного механизма, при вакансионном механизме диффузии кинетика упорядочения по типу $L1_{2}$ описывается двумя временами релаксации. Моделирование прерывистого процесса приповерхностной переориентации моноатомных плоскостей Fe и Pt в тонкой плёнке FePt, в свою очередь, стало хорошим тестом для стохастического варианта KMF (SKMF). Тот факт, что введение стохастического шума оказалось необходимым для воспроизведения процесса поверхностной нуклеации, может свидетельствовать о корректности метода.

Ключевые слова: кинетический среднеполевой метод, диффузия меченых атомов, кинетика упорядочения, атомистическое моделирование, интерметаллиды.

PACS: 02.70.-c, 02.70.Uu, 34.10.+x, 64.60.Cn, 64.60.De, 66.10.cg

Citation: V. M. Bezpalchuk, R. Kozubski, and A. M. Gusak, Simulation of the Tracer Diffusion, Bulk Ordering, and Surface Reordering in F.C.C. Structures by Kinetic Mean-Field Method, Usp. Fiz. Met., 18, No. 3: 205—233 (2017), doi: 10.15407/ufm.18.03.205


Цитированная литература (29)  
  1. K. Binder, Monte Carlo Methods in Statistical Physics (Springer Berlin Heidelberg: 1986). Crossref
  2. G. E. Murch, Diffusion in Crystalline Solids (Academic Press: 2012).
  3. R. Kozubski, Progress in Materials Science, 41, Nos. 1–2: 1 (1997). Crossref
  4. G. Martin, Phys. Rev. B, 41, No. 4: 2279 (1990). Crossref
  5. Z. Erdélyi, I. A. Szabó, and D. L. Beke, Phys. Rev. Lett., 89, No. 16: 165901 (2002). Crossref
  6. Z. Erdélyi, M. Sladecek, L. M. Stadler, I. Zizak, G. A. Langer, M. Kis-Varga, and B. Sepiol, Science, 306, No.5703: 1913 (2004). Crossref
  7. Z. Erdélyi, G. L. Katona, and D. L. Beke, Phys. Rev. B, 69, No. 11: 113407 (2004). Crossref
  8. Z. Erdélyi, D. L. Beke, and A. Taranovskyy, Appl. Phys. Lett., 92, No. 13: 133110 (2008). Crossref
  9. N. V. Storozhuk, K. V. Sopiga, and A. M. Gusak, Phil. Mag., 93, No. 16: 1999 (2013). Crossref
  10. Z. Erdélyi, M. Pasichnyy, V. Bezpalchuk, J. J. Tomán, B. Gajdics, and A. M. Gusak, Computer Physics Communications, 204: 31 (2016). Crossref
  11. J. M. Sanchez and D. De Fontaine, Phys. Rev. B, 25, No. 3: 1759 (1982). Crossref
  12. A. G. Khachaturyan, Theory of Structural Transformations in Solids (Courier Corporation: 2013).
  13. L. Q. Chen and A. G. Khachaturyan, Phys. Rev. B, 46, No. 10: 5899 (1992). Crossref
  14. Y. Wang, D. Banerjee, C. C. Su, and A. G. Khachaturyan, Acta Materialia, 46, No. 9: 2983 (1998). Crossref
  15. G. Inden, W. Pitsch, Materials Science and Technology. A Comprehensive Treatment (Eds. R. W. Cahn, P. Hansen, and E. J. Kramer) (VCH, Weinheim: 1991).
  16. I. B. Borovsky, C. P. Gurov, I. D. Marchukova, and Yu. E. Ugaste, The Interdiffusion Processes in Alloys (Moscow: Nauka: 1973) (in Russian).
  17. A. Biborski, R. Kozubski, and V. Pierron-Bohnes, Diffusion Foundations, 2: 191 (2014). Crossref
  18. N. Bogoliubov, The Dynamical Theory in Statistical Physics (Delhi: Hindustan Pub. Corp.: 1965).
  19. K. P. Gurov ans A. M. Gusak, Fiz. Met. Metalloved., 59, No. 6: 1062 (1985) (in Russian).
  20. О. М. Rymar and А. М. Gusak, Cherkasy University Bulletin: Physical and Mathematical Sciences, 349, No. 16: 50 (2015) (in Ukrainian).
  21. V. M. Bezpalchuk and A. M. Gusak, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 37, No. 12: 1583 (2015) (in Ukrainian). Crossref
  22. V. M. Bezpalchuk, M. O. Pasichnyy, A. M. Gusak, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 38, No. 9: 1135 (2016) (in Ukrainian). Crossref
  23. P. Oramus, R. Kozubski, V. Pierron-Bohnes, M. C. Cadeville, and W. Pfeiler, Phys. Rev. B, 63, No. 17: 174109 (2001). Crossref
  24. S. T. Frank, U. Södervall, and C. Herzig, Physica Status Solidi B, 191, No. 1: 45 (1995). Crossref
  25. S. Divinski, S. Frank, U. Södervall, and C. Herzig, Acta Materialia, 46, No. 12: 4369 (1998). Crossref
  26. M. Kozłowski, R. Kozubski, and C. Goyhenex, Diffusion Foundations, 1: 3 (2014). Crossref
  27. M. Kozłowski, R. Kozubski, C. Goyhenex, V. Pierron-Bohnes, M. Rennhofer, and S. Malinov, Intermetallics, 17, No. 11: 907 (2009). Crossref
  28. M. Rennhofer, M. Kozlowski, B. Laenens, B. Sepiol, R. Kozubski, D. Smeets, and A. Vantomme, Intermetallics, 18, No. 11: 2069 (2010). Crossref
  29. M. Kozłowski, R. Kozubski, V. Pierron-Bohnes, and W. Pfeiler, Computational Materials Science, 33, Nos. 1–3: 287 (2005). Crossref